非線形触媒反応の制御によるメタンからの超高速水素製造法の開発

1995 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 07405037
• Research Category: Grant-in-Aid for General Scientific Research (A)
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 乾 智行 京都大学, 工学研究科, 教授 (60025989)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 岩本 伸司 京都大学, 工学研究科, 助手 (50252482) ; 竹口 竜弥 京都大学, 工学研究科, 助手 (30227011) ; 井上 正志 京都大学, 工学研究科, 助教授 (30151624)
• Keywords: 水素製造 / メタンの改質反応 / ニッケル系複合触媒 / 高速触媒反応 / 非線形触媒反応 / 触媒燃焼 / オンサイト熱供給 / 二酸化炭素の接触水素化

Research Abstract

地球温暖化の元凶と目される CO_2の大気圏への蓄積を低減するための方策が種々検討されているが、化学的なCO_2変換方法のなかでは、固体触媒を用いる接触水素化が高速度で変換できる点で優れている。しかしその実現のためには、必要な水素を、あらたなエネルギーの注入をできるだけ避けながら、高速で製造できる触媒技術の確立が不可欠である。そこで本研究は、天然ガスの主成分であるメタンを、CO_2、H_2O、O_2のいずれかあるいはその組み合わせを用いて、工場廃熱が利用できるような数百°Cの低温域で、接触時間ミリ秒の超高速条件下にH_2とCOに選択的に変換するための新触媒と、それに適合する触媒反応器方式の開発を目的としている。まず、触媒表面への炭素析出を減らして反応速度を上げるため、触媒表面への水素の拡散を極度に促進させる触媒構造を設計し、セラミック不織布板状成型担体に担持したRh修飾Ni-Ce_2O_3-Pt触媒が、目的に適う極めて高活性な触媒であることを見い出した。しかし、反応速度を上げるとその大きな吸熱のため、反応管外壁からの熱供給が追いつかなくなること、ならびに反応の平衡の制約のため400°C付近の低温域では転化率は僅かに10%程度に抑えられる。そこで、反応系に、メタンよりも燃焼し易く天然ガスに含まれているエタンを添加して触媒燃焼を低温域から生起させ、この触媒表面上でのオンサイト熱供給によって、400°Cという低い炉温でもメタンを改質反応の平衡値をはるかに超越する70%以上の転化率で改質させることができた。また、この触媒をハニカム充填方式として、大流速下でも背圧を排除し、接触時間が実に3.29ミリ秒という超高流速下に、炉温700°Cでは水素空時収量11,150mol/l・hという空前の高速合成を実現した。今後、この触媒反応器方式にもエタンの燃焼を併発させて、さらに高速の水素合成を確認し、エタンやプロパンを含む天然ガスに対しても適用を拡げる計画である。

Research Products

• [Publications] Tomoyuki Inui: "Catalytic Combustion of Natural Gas as the Role of On-site Heat Supply in Rapid Catalytic CO_2-H_2O Reforming of Methane" Catalysis Today. 26. 295-302 (1995)
• [Publications] 乾 智行: "小分子の高速変換を実現する触媒設計" 触媒. 37. 556-564 (1995)
• [Publications] 乾 智行: "地球環境保全のための触媒" 環境保全. 10. 39-46 (1995)
• [Publications] Tomoyuki Inui: "Pergamon Publisher" Proc. of the Second International Conference on Carbon Dioxide Removal, (1995)